一种面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置及方法，装置包括电磁线圈阵列和手术器械；电磁线圈阵列由以特定拓扑结构分布在同一平面上的四个大小完全相同的电磁线圈组成；手术器械由两个长筒形永磁体和一根刚性棒状操作杆组成。同时，本发明专利技术提出了一种适用于本装置的电磁力反馈方法，包括装置的基本运行原则、最优电流分配策略和力矩‑电流回归预测模型，用于简洁、高效、实时、精确地产生虚拟介入手术中产生周向旋转力反馈。本发明专利技术极大地还原了真实介入手术的操作模式，提高了操作者的沉浸感，能提高虚拟介入手术系统术前训练的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置及方法
本专利技术属于虚拟现实
，涉及一种面向虚拟介入手术的电磁力反馈装置及方法，特别涉及一种基于磁悬浮原理设计的电磁线圈阵列拓扑结构和对应手术器械，以及一种使用计算机仿真技术和机器学习技术的电磁力反馈方法，用于实时精确地产生虚拟介入手术中的周向旋转力反馈。
技术介绍
在虚拟血管介入手术系统中，用户通过操作与导丝导管高度相似的手术器械与虚拟血管场景交互，从而获得视觉、触觉的多感知反馈，高沉浸感地体验介入手术进行过程([文献1])。虚拟介入手术系统的难点在于实时精确地产生介入手术操作过程中的反馈力，尤其是导丝捻拧过程中的周向旋转反馈力([文献2])。然而，现有的虚拟介入手术系统中力反馈模块大都是由接触式的机械导轨和滑轮设计而成([文献3][文献4])。机械导轨的存在，极大限制了操作自由性，与实际介入手术实施情况差距较大，导致虚拟手术系统训练效果并不理想。随着磁悬浮技术的成熟，其诸多优越性逐渐体现，不仅能获得更加灵活的操作空间，还具有精密运动控制和低能耗等优点，除此之外还消除了其他驱动方法中的摩擦和动态非线性磁滞等([文献5])。在基于磁悬浮的电磁力反馈装置上，Berkelman([文献6][文献7])等人最先使用由单个电磁线圈为基本单位组成的具有特定拓扑结构的电磁线圈阵列和相应的带永磁体的操作杆来获取无接触式的力触觉感知，但是并没有过多解释电磁线圈摆放的依据。武汉大学袁志勇课题组([文献8])将电磁力反馈技术运用到虚拟手术系统的力反馈模块上，特别是针对肾脏等有弹性形变的器官组织。实验结果表明基于电磁式的力反馈模块的操作体验比机械式的沉浸感更强烈，但该研究侧重于虚拟组织的刚度感知。截止目前，针对较为复杂的虚拟介入手术系统中的电磁力反馈还缺乏系统的研究，其技术难点在于高还原度地复现手术操作方式和实时精确地产生手术过程中的力反馈。要满足复杂的虚拟接入手术中电磁力反馈的实时性和精确性，则需要建立电磁力与各个线圈激励电流之间快速高效的计算模型。本专利技术根据拓扑结构和操作器械的特点，结合模型融合等方法创建了一个简洁精确的计算模型，保证了力反馈产生的实时性和精确性。参考文献：[文献1]:OmisoreOM,HanSP,RenLX,etal.TowardsCharacterizationandAdaptiveCompensationofBacklashinaNovelRoboticCatheterSystemforCardiovascularInterventions[J].IEEETransactionsonBiomedicalCircuits&Systems,2018,PP(4):1-15.[文献2]:ShiY,ZhouC,XieL,etal.Researchofthemaster-slaverobotsurgicalsystemwiththefunctionofforcefeedback[J].IntJMedRobot,2017:e1826.[文献3]:GuoJ,JinX,GuoS,etal.AVascularInterventionalSurgicalRoboticSystemBasedonForce-VisualFeedback[J].IEEESensorsJournal,2019,19(23):11081-11089.[文献4]:GuoJ,YuY,GuoS,etal.Designandperformanceevaluationofanovelmastermanipulatorfortherobot-assistcathetersystem[C]//IEEEInternationalConferenceonMechatronics&Automation.IEEE,2016:937-924.[文献5]:KimY,ParadaGA,LiuS,etal.Ferromagneticsoftcontinuumrobots[J].ScienceRobotics,2019,4(33):eaax7329.[文献6]:BerkelmanP,DzadovskyM.Magnetlevitationandtrajectoryfollowingmotioncontrolusingaplanararrayofcylindricalcoils[C]//ASME2008DynamicSystemsandControlConference.AmericanSocietyofMechanicalEngineers,2008:923-930.[文献7]:BerkelmanP,DzadovskyM.MagneticLevitationOverLargeTranslationandRotationRangesinAllDirections[J].IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,2013,18(1):44-52.[文献8]:TongQ,YuanZ,LiaoX,etal.MagneticLevitationHapticAugmentationforVirtualTissueStiffnessPerception[J].IEEETransactionsonVisualizationandComputerGraphics,2018,24(12):3123-3136.
技术实现思路
针对现有虚拟介入手术系统中力反馈模块难以产生沉浸逼真的操作感问题，本专利技术通过研究通电线圈阵列磁场特性和分析血管介入手术操作模式，设计了一套包含高度对称的电磁线圈阵列和多自由度的手术操作杆的装置来复现介入手术中的关键力反馈——周向旋转力反馈。此外，针对电磁力触觉模块难以动态产生实时精确力反馈问题，提出了适用于该套装置的电磁力反馈方法，用于简洁、高效、实时、精确地产生虚拟介入手术中产生周向旋转力反馈。本专利技术的装置所采用的技术方案是：一种面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：包括电磁线圈阵列和手术器械；所述电磁线圈阵列包括四个完全相同的电磁线圈、四个保护基座、底盘滑轨；所述四个完全相同的电磁线圈摆放在同一平面上，各个电磁线圈中距离较近的底面的圆心依次相连会组成一个正方形，正方形中心为两对互为对角线线圈的底面圆心连线交点；所述四个完全相同的电磁线圈均分别固定设置在保护基座上；所述四个保护基座均设置在所述底盘滑轨上，可在所述底盘滑轨上移动；所述手术器械为多自由度的手术操作杆。作为优选，所述保护基座角度可调。角度为电磁线圈底面与水平面的夹角，角度调整范围为0°至90°，可增加装置二次开发性和灵活性。作为优选，所述手术器械包括刚性操作杆、第一永磁体、第二永磁体；所述第一永磁体设置所述刚性操作杆上端顶，所述第二永磁体固定设置在所述第一永磁体中上部，与所述第一永磁体呈十字交叉状。两者互相配合从而能高度模拟还原实际介入手术中导丝的力学特性。作为优选，所述第一永磁体和第二永磁体均为长筒形永磁体，市面上永磁体制作工艺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：包括电磁线圈阵列(1)和手术器械(2)；/n所述电磁线圈阵列包括四个完全相同的电磁线圈(101)、四个保护基座(102)、底盘滑轨(103)；所述四个完全相同的电磁线圈(101)摆放在同一平面上，各个电磁线圈(101)中距离较近的底面的圆心依次相连会组成一个正方形，正方形中心为两对互为对角线线圈的底面圆心连线交点；所述四个完全相同的电磁线圈(101)均分别固定设置在保护基座(102)上；所述四个保护基座(102)均设置在所述底盘滑轨(103)上，可在所述底盘滑轨(103)上移动；/n所述手术器械(2)为多自由度的手术操作杆。/n

【技术特征摘要】
1.一种面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：包括电磁线圈阵列(1)和手术器械(2)；
所述电磁线圈阵列包括四个完全相同的电磁线圈(101)、四个保护基座(102)、底盘滑轨(103)；所述四个完全相同的电磁线圈(101)摆放在同一平面上，各个电磁线圈(101)中距离较近的底面的圆心依次相连会组成一个正方形，正方形中心为两对互为对角线线圈的底面圆心连线交点；所述四个完全相同的电磁线圈(101)均分别固定设置在保护基座(102)上；所述四个保护基座(102)均设置在所述底盘滑轨(103)上，可在所述底盘滑轨(103)上移动；
所述手术器械(2)为多自由度的手术操作杆。


2.根据权利要求1所述的面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：所述保护基座(102)角度可调，其中，角度为电磁线圈底面与水平面的夹角，角度调整范围为0°至90°。


3.根据权利要求1所述的面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：所述手术器械(2)包括刚性操作杆(201)、第一永磁体(202)、第二永磁体(203)；
所述第一永磁体(202)设置所述刚性操作杆(201)上端顶，所述第二永磁体(203)固定设置在所述第一永磁体(202)中上部，与所述第一永磁体(202)呈十字交叉状。


4.根据权利要求3所述的面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：所述第一永磁体(202)和第二永磁体(203)均为长筒形永磁体。


5.根据权利要求3所述的面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：所述刚性操作杆(201)由聚乙烯制作而成，底面半径为9mm，高度为200mm。


6.根据权利要求3所述的面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：所述第一永磁体(202)底面半径为8mm，高度为15mm。


7.根据权利要求3所述的面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：所述第二永磁体(203)底面半径为6mm，高度为35mm。


8.根据权利要求1-7任意一项所述的面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈装置，其特征在于：电磁线圈(101)材料为Copper，互为对角线的电磁线圈(101)对之间距离为74mm，单个电磁线圈(101)的线圈匝数为1024。


9.一种面向虚拟介入手术系统的电磁力反馈方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：对电磁力反馈装置中的电磁线圈(101)和第二永磁体(203)进行等比例大小等材质的建模仿真，获得电磁力反馈模型；
确定电磁力反馈装置的基本运行原则：互为对角线位置的电磁线圈(101)给予大小方向相同的激励电流；
确定电磁力反馈装置的最优电流分配策略：对第二永磁体(203)的N极与以互为对角线的线圈底面中心所连成的直角坐标系中X轴正方向夹角θ，提出一个三维元组(x,y,z)，来决定电磁线圈阵列(1)中电流的最优分配策略；
x＝[θ/90]mod2
y＝|(45·[θ/45])mod2-θmod45|
z＝[θ/180]
其中，三维元组(x,y,z)中，x决定施加电流的电磁线圈对，y为等价映射在最小对称区间内的夹角，z用来指示线圈对中电流方向；每一个θ对应唯...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁志勇，林远轩，赵俭辉，赵文元，张庭保，冯雨，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42